През 1988 г. рекордната книга на Стивън Хокинг „Кратка история на времето“ представя идеите на този забележителен физик-теоретик на читателите по целия свят. И ето ново важно събитие: Хокинг се завръща! Красиво илюстрираното продължение, „Светът в орехова черупка“, разкрива научните открития, направени след публикуването на първата му, широко приветствана книга.

Един от най-блестящите учени на нашето време, известен не само със смелостта на своите идеи, но и с яснотата и остроумието на израза си, Хокинг ни отвежда до най-новото изследване, където истината изглежда по-странна от измислицата, за да обясни в просто казано принципите, които управляват вселената.

Подобно на много физици теоретични, Хокинг копнее да открие Светия Граал на науката – Теорията на всичко, която лежи в основата на космоса. Позволява ни да се докоснем до тайните на Вселената: от супергравитацията до суперсиметрията, от квантовата теория до М-теорията, от холографията до дуалностите. Заедно се впускаме в завладяващо приключение, докато той говори за опитите си да създаде, базирайки се на общата теория на относителността на Айнщайн и идеята на Ричард Файнман за множество истории, пълна единна теория, която да описва всичко, което се случва във Вселената.

Ние го придружаваме в едно необикновено пътешествие през пространство-времето, а великолепните цветни илюстрации служат като ориентири в това пътуване през една сюрреалистична страна на чудесата, където частици, мембрани и струни се движат в единадесет измерения, където черните дупки се изпаряват, отнасяйки своите тайни със себе си, и където космическото семе, от което израсна нашата Вселена, беше мъничко орехче.

СТИВЪН ХОУКИНГ
Вселената накратко
Превод от английски А. Г. Сергеев
Изданието е подготвено с подкрепата на фондация „Династия“ на Дмитрий Зимин
СПб: Амфора. ТИД Амфора, 2007. - 218 с.

Глава 5. Защита на миналото

За това дали е възможно пътуване във времето и дали една високоразвита цивилизация, връщайки се в миналото, е в състояние да го промени

Защото Стивън Хокинг (който загуби предишен облог по този въпрос, като направи исканията си твърде общи) остава твърдо убеден, че голите сингулярности са прокълнати и трябва да бъдат забранени от законите на класическата физика, и защото Джон Прескил и Кип Торн (който спечели предишния залог) - все още вярват, че голи сингулярности като квантови гравитационни обекти могат да съществуват, без да бъдат покрити от хоризонта, в наблюдаемата Вселена, предложи Хокинг и Прескил/Торн приеха следния залог:

Тъй като всяка форма на класическа материя или поле, която не може да стане сингулярна в плоското пространство-време, се подчинява на класическите уравнения на общата теория на относителността на Айнщайн, динамичната еволюция от каквито и да е начални условия (т.е. от всеки отворен набор от първоначални данни) никога не може да генерира гола сингулярност (непълна нулева геодезическа от I + с крайна точка в миналото).

Победителят награждава победителя с дрехи, за да може да прикрие голотата си. Облеклото трябва да бъде бродирано с послание, подходящо за повода.

Моят приятел и колега Кип Торн, с когото сме правили много залагания (все още активни), не е от тези, които следват общоприетата линия във физиката, просто защото всички останали го правят. Така той стана първият сериозен учен, който се осмели да обсъди пътуването във времето като практическа възможност.

Говоренето открито за пътуване във времето е много деликатен въпрос. Рискувате да бъдете подведени или от гръмки призиви да инвестирате бюджетни пари в някакъв абсурд, или от искания да класифицирате изследванията за военни цели. Наистина, как можем да се предпазим от някой с машина на времето? В крайна сметка той е в състояние да промени самата история и да управлява света. Малцина от нас са достатъчно безразсъдни, за да работят върху въпрос, който се смята за толкова политически некоректен сред физиците. Ние прикриваме този факт с технически термини, които кодират пътуването във времето.

Основата на всички съвременни дискусии за пътуването във времето е общата теория на относителността на Айнщайн. Както се видя в предишните глави, уравненията на Айнщайн правят пространството и времето динамични, като описват как те се огъват и изкривяват от материята и енергията във Вселената. В общата теория на относителността личното време на всеки, измерено с ръчен часовник, винаги ще се увеличава, точно както в теорията на Нютон или в плоското пространство-време на специалната теория на относителността. Но може би пространство-времето ще бъде толкова усукано, че ще можете да отлетите със звезден кораб и да се върнете преди заминаването си (фиг. 5.1).

Например, това може да се случи, ако има червееви дупки - пространствено-времевите тръби, споменати в глава 4, които свързват различни области от него. Идеята е да изпратите звезден кораб в един отвор на червеева дупка и да излезете от друг на напълно различно място и време (фиг. 5.2).

Червеевите дупки, ако съществуват, биха могли да решат проблема с ограничението на скоростта в космоса: според теорията на относителността са необходими десетки хиляди години, за да се прекоси Галактиката. Но през червеевата дупка можете да летите до другия край на Галактиката и да се върнете обратно по време на вечеря. Междувременно е лесно да се покаже, че ако червеевите дупки съществуват, те могат да бъдат използвани, за да се озовете в миналото.

Така че си струва да помислите какво ще се случи, ако успеете например да взривите ракетата си на стартовата площадка, за да предотвратите собствения си полет. Това е вариант на известния парадокс: какво би се случило, ако се върнете назад във времето и убиете собствения си дядо, преди той да може да зачене баща ви (Фигура 5.3)?

Разбира се, парадоксът тук възниква само ако приемем, че веднъж в миналото можете да правите каквото искате. Тази книга не е място за философски дискусии за свободната воля. Вместо това ще се съсредоточим върху това дали законите на физиката позволяват пространство-времето да бъде усукано, така че макроскопично тяло като космически кораб да може да се върне в миналото си. Според теорията на Айнщайн космическият кораб винаги се движи със скорост, която е по-малка от локалната скорост на светлината в пространство-времето и следва така наречената времеподобна световна линия. Това ни позволява да преформулираме въпроса в технически термини: може ли да има затворени времеподобни криви в пространство-времето, тоест такива, които се връщат отново и отново към началната си точка? Ще нарека такива траектории „времеви“. с mi loops.”

Можете да търсите отговор на поставения въпрос на три нива. Първото е нивото на общата теория на относителността на Айнщайн, което предполага, че Вселената има ясно дефинирана история без никаква несигурност. За тази класическа теория имаме пълна картина. Въпреки това, както видяхме, такава теория не може да бъде абсолютно точна, тъй като според наблюденията материята е подложена на несигурност и квантови флуктуации.

Следователно можем да зададем въпроса за пътуването във времето на второ ниво – за случая на полукласическите теории. Сега разглеждаме поведението на материята според квантовата теория с несигурности и квантови флуктуации, но смятаме, че пространство-времето е добре дефинирано и класическо. Тази картина не е толкова пълна, но поне дава някаква представа как да продължим.

И накрая, има подход от гледна точка на пълна квантова теория на гравитацията, каквото и да се окаже това. В тази теория, където не само материята, но и времето и пространството са обект на несигурност и колебания, дори не е напълно ясно как да се постави въпросът за възможността за пътуване във времето. Може би най-доброто, което може да се направи, е да се помолят хората в региони, където пространство-времето е почти класическо и без несигурност, да интерпретират своите измервания. Ще преживеят ли пътуване във времето в региони със силна гравитация и големи квантови флуктуации?

Да започнем с класическата теория: плоското пространство-време на специалната теория на относителността (без гравитацията) не позволява пътуване във времето; това също е невъзможно в тези извити версии на пространство-времето, които са били изследвани в началото. Айнщайн беше буквално шокиран, когато през 1949 г. Кърт Гьодел, същият, който доказа прочутата теорема на Гьодел, откри, че пространство-времето във вселена, изцяло изпълнена с въртяща се материя, има временно приия цикъл във всяка точка (фиг. 5.4).

Решението на Гьодел изисква въвеждането на космологична константа, която може да не съществува в действителност, но по-късно подобни решения са намерени без космологична константа. Особено интересен случай е, когато две космически струни се движат една покрай друга с висока скорост.

Космическите струни не трябва да се бъркат с елементарните обекти на теорията на струните, с които те са напълно несвързани. Такива обекти имат разширение, но в същото време имат малко напречно сечение. Съществуването им се предсказва в някои теории за елементарните частици. Пространството-време извън една космическа струна е плоско. Това плоско пространство-време обаче има клиновиден изрез, чийто връх лежи точно върху струната. Подобно е на конус: вземете голям кръг от хартия и изрежете от него сектор, като парче пай, чийто връх е разположен в центъра на кръга. След като извадите изрязаното парче, залепете краищата на изреза към останалата част - ще получите конус. Тя изобразява пространство-времето, в което съществува космическата струна (фиг. 5.5).

Обърнете внимание, че тъй като повърхността на конуса все още е същият плосък лист хартия, с който започнахме (без премахнатия сектор), той все още може да се счита за плосък, с изключение на върха. Наличието на кривина на върха може да бъде разкрито от факта, че кръговете, описани около него, са по-къси от кръговете, които са на същото разстояние от центъра на оригиналния кръгъл лист хартия. С други думи, окръжността около върха е по-къса от окръжност със същия радиус в плоско пространство поради липсващия сектор (фиг. 5.6).

По същия начин, сектор, премахнат от плоското пространство-време, скъсява кръговете около космическата струна, но не влияе на времето или разстоянието по нея. Това означава, че пространство-времето около отделна космическа струна не съдържа време с x цикли и следователно пътуването в миналото е невъзможно. Въпреки това, ако има втора космическа струна, която се движи спрямо първата, нейната времева посока ще бъде комбинация от времеви и пространствени промени на първата. Това означава, че секторът, който се пресича от втората струна, ще намали както разстоянията в пространството, така и времевите интервали за наблюдателя, който се движи заедно с първата струна (фиг. 5.7). Ако струните се движат една спрямо друга със скорост, близка до скоростта на светлината, намаляването на времето за обикаляне на двете струни може да бъде толкова значително, че да се върнете назад, преди да сте започнали. С други думи, има временни с e бримки, по които можете да пътувате в миналото.

Космическите струни съдържат материя, която има положителна енергийна плътност, което е в съответствие с известната днес физика. Въпреки това, усукването на пространството, което поражда временни с e заобикаля, простира се до безкрайност в пространството и до безкрайното минало във времето. Така че такива пространствено-времеви структури първоначално, по конструкция, позволяват възможността за пътуване във времето. Няма причина да вярваме, че нашата собствена Вселена е устроена в такъв извратен стил; нямаме надеждни доказателства за появата на гости от бъдещето. (Не броим теориите на конспирацията, че НЛО идват от бъдещето и правителството знае за това, но крие истината. Те обикновено крият неща, които не са толкова големи.) Така че ще приема, че временно с x бримките не са съществували в далечното минало или по-точно в миналото спрямо някаква повърхност в пространство-времето, което ще обознача С. Въпрос: може ли високо развита цивилизация да построи машина на времето? Тоест, може ли да промени пространство-времето в бъдещето спрямо С(над повърхността Сна диаграмата), така че бримките да се появяват само в областта с краен размер? Казвам ограничена област, защото колкото и напреднала да е една цивилизация, изглежда, че може да контролира само ограничена част от вселената. В науката правилното формулиране на проблем често означава намиране на ключа към неговото решение и случаят, който разглеждаме, е добра илюстрация за това. За дефиницията на крайната машина на времето ще се обърна към една от старите си работи. Пътуването във времето е възможно в някакъв регион на пространство-времето, където има временни с e loops, тоест траектории с подсветлинна скорост на движение, които въпреки това успяват да се върнат към първоначалното място и време поради кривината на пространство-времето. Тъй като предположих, че в далечното минало временно с x нямаше никакви примки, трябва да съществува, както аз го наричам, „хоризонт на пътуване във времето“ - граница, която разделя зоната, съдържаща времето с e бримки, от областта, където не са (фиг. 5.8).

Хоризонтът на пътуването във времето е доста подобен на хоризонта на черна дупка. Докато последният се формира от светлинни лъчи, които са малко по-малко от бягство от черна дупка, хоризонтът на пътуването във времето се определя от лъчи, които са на ръба да се срещнат. Освен това ще считам, че критерият за машина на времето е наличието на така наречения крайно генериран хоризонт, тоест образуван от светлинни лъчи, които се излъчват от област с ограничен размер. С други думи, те не трябва да идват от безкрайността или сингулярността, а само от краен регион, съдържащ временни при th цикъл, такава зона, която предполагаме, че нашата високоразвита цивилизация ще може да създаде.

С приемането на този критерий за машината на времето има чудесна възможност да се използват методите, които Роджър Пенроуз и аз разработихме за изследване на сингулярности и черни дупки. Дори без да използвам уравненията на Айнщайн, мога да покажа, че като цяло крайно генериран хоризонт ще съдържа светлинни лъчи, които се срещат, продължавайки да се връщат в същата точка отново и отново. Докато се върти, светлината ще претърпява все повече и повече синьо изместване всеки път и изображенията ще стават все по-сини и по-сини. Гърбиците от вълни в лъча ще започнат да се приближават все по-близо една до друга и интервалите, през които светлината се връща, ще стават все по-кратки и по-кратки. Всъщност частица светлина ще има ограничена история, когато се разглежда в нейното собствено време, въпреки че се движи в кръгове в краен регион и не попада в сингулярната точка на кривина.

Фактът, че една частица светлина ще изчерпи своята история за крайно време, може да изглежда маловажен. Но също така мога да докажа възможността за съществуването на световни линии, скоростта на движение по които е по-малка от светлината, а продължителността е крайна. Това може да са истории на наблюдатели, които са уловени в краен регион преди хоризонта и се движат наоколо, наоколо и наоколо, все по-бързо и по-бързо, докато достигнат скоростта на светлината за краен период от време. Така че, ако красиво извънземно от летяща чиния ви покани в своята машина на времето, внимавайте. Можете да попаднете в капана на повтарящи се истории с крайна обща продължителност (Фигура 5.9).

Тези резултати не зависят от уравнението на Айнщайн, а само от начина, по който пространство-времето се усуква, за да произведе време. О th бримки в крайния регион. Но все пак, какъв вид материал би могла да използва една високоразвита цивилизация, за да построи машина на времето с крайни размери? Може ли да има положителна енергийна плътност навсякъде, както е случаят с космическата струна пространство-време, описано по-горе? Космическата струна не отговаря на моето изискване сд бримките се появиха само в крайния регион. Но може да се мисли, че това се дължи само на факта, че струните имат безкрайна дължина. Някой може да се надява да построи крайна машина на времето, използвайки крайни вериги от космически струни, които имат положителна енергийна плътност навсякъде. Съжалявам, че разочаровам хората, които като Кип искат да се върнат назад във времето, но това не може да се направи, докато се поддържа положителна енергийна плътност през цялото време. Мога да докажа, че за изграждането на най-добрата машина на времето ще ви трябва отрицателна енергия.

В класическата теория енергийната плътност винаги е положителна, така че съществуването на крайна машина на времето на това ниво е изключено. Но ситуацията се променя в полукласическата теория, където поведението на материята се разглежда в съответствие с квантовата теория, а пространство-времето се счита за добре дефинирано, класическо. Както видяхме, принципът на неопределеността в квантовата теория означава, че полетата винаги се колебаят нагоре и надолу, дори в привидно празно пространство, и имат безкрайна енергийна плътност. В крайна сметка само чрез изваждане на безкрайна стойност получаваме крайната енергийна плътност, която наблюдаваме във Вселената. Това изваждане може също така да доведе до отрицателна енергийна плътност, поне локално. Дори в плоското пространство могат да се намерят квантови състояния, в които енергийната плътност е локално отрицателна, въпреки че общата енергия е положителна. Чудя се дали тези отрицателни стойности всъщност карат пространство-времето да се огъва, така че да се появи крайна машина на времето? Изглежда, че те трябва да доведат до това. Както става ясно от Глава 4, квантовите флуктуации означават, че дори привидно празното пространство е изпълнено с двойки виртуални частици, които се появяват заедно, разлитат се и след това отново се събират и се унищожават една друга (фиг. 5.10). Единият от елементите на виртуалната двойка ще има положителна енергия, а другият ще има отрицателна енергия. Ако има черна дупка, частица с отрицателна енергия може да попадне в нея, а частица с положителна енергия може да отлети до безкрайността, където ще изглежда като радиация, отнасяща положителна енергия далеч от черната дупка. А частиците с отрицателна енергия, попадащи в черна дупка, ще доведат до намаляване на нейната маса и бавно изпарение, придружено от намаляване на размера на хоризонта (фиг. 5.11).

Обикновената материя с положителна енергийна плътност генерира привлекателна гравитационна сила и огъва пространство-времето, така че лъчите да се обръщат един към друг, точно както топката върху гумения лист в Глава 2 винаги обръща малката топка към себе си и никога настрани.

От това следва, че площта на хоризонта на черната дупка само се увеличава с времето и никога не намалява. За да се свие хоризонтът на черна дупка, енергийната плътност на хоризонта трябва да е отрицателна и пространство-времето трябва да причини разминаване на светлинните лъчи. За първи път осъзнах това една вечер, докато си лягах, малко след раждането на дъщеря ми. Няма да казвам точно преди колко време беше, но вече имам внук.

Изпарението на черните дупки показва, че на квантово ниво енергийната плътност понякога може да бъде отрицателна и да извива пространство-времето в посоката, която би била необходима за изграждането на машина на времето. Така че е възможно да си представим цивилизация на толкова висок етап на развитие, че е в състояние да постигне достатъчно голяма отрицателна енергийна плътност, за да получи машина на времето, която би била подходяща за макроскопични обекти като космически кораби. Въпреки това има значителна разлика между хоризонта на черна дупка, който се формира от лъчи светлина, които просто продължават да се движат, и хоризонта в машина на времето, който съдържа затворени лъчи светлина, които просто продължават да се движат в кръг. Виртуална частица, движеща се отново и отново по такъв затворен път, би довела енергията си в основното състояние до същата точка. Следователно трябва да очакваме, че на хоризонта, тоест на границата на машината на времето - областта, в която можете да пътувате в миналото - енергийната плътност ще бъде безкрайна. Това се потвърждава от точни изчисления в редица специални случаи, които са достатъчно прости, за да позволят получаването на точно решение. Оказва се, че човек или космическа сонда, която се опитва да пресече хоризонта и да влезе в машината на времето, ще бъде напълно унищожена от радиационната завеса (фиг. 5.12). Така че бъдещето на пътуването във времето изглежда доста мрачно (или трябва да кажем ослепително светло?).

Енергийната плътност на дадено вещество зависи от състоянието, в което то се намира, така че може би високо развита цивилизация ще успее да направи енергийната плътност на ръба на машината на времето крайна чрез „замразяване“ или премахване на виртуални частици, които се движат и кръг в затворен цикъл. Няма сигурност обаче, че такава машина на времето ще бъде стабилна: най-малкото смущение, например някой, който пресича хоризонта, за да влезе в машината на времето, може да започне циркулацията на виртуални частици и да причини изпепеляваща мълния. Физиците трябва да обсъждат този въпрос свободно, без страх от презрителни подигравки. Дори да се окаже, че пътуването във времето е невъзможно, ще разберем защо е невъзможно, а това е важно.

За да отговорим със сигурност на обсъждания въпрос, трябва да вземем предвид квантовите флуктуации не само на материалните полета, но и на самото пространство-време. Може да се очаква, че това ще причини известно замъгляване в пътеките на светлинните лъчи и в принципа на хронологично подреждане като цяло. Всъщност можем да мислим за излъчването на черната дупка като за изтичане, причинено от квантови флуктуации в пространство-времето, които показват, че хоризонтът не е добре дефиниран. Тъй като все още нямаме готова теория за квантовата гравитация, трудно е да се каже какъв трябва да бъде ефектът от флуктуациите на пространство-времето. Въпреки това можем да се надяваме да получим някои улики от обобщението на историята на Файнман, описано в глава 3.

Всяка история ще бъде извито пространство-време с материални полета в него. Тъй като ще сумираме всички възможни истории, а не само тези, които отговарят на някои уравнения, сумата трябва да включва и тези време-пространства, които са достатъчно усукани, за да позволят пътуване в миналото (Фигура 5.13). Тогава възниква въпросът: защо такива пътувания не се случват навсякъде? Отговорът е, че пътуването във времето всъщност се случва в микроскопичен мащаб, но ние не го забелязваме. Ако приложим идеята на Файнман за сумиране на истории към една частица, тогава трябва да включим истории, в които тя се движи по-бързо от светлината и дори назад във времето. По-конкретно, ще има истории, в които частицата се движи кръгово в затворен цикъл във времето и пространството. Като във филма „Денят на мармота“, където репортерът живее едни и същи дни отново и отново (фиг. 5. 14).

Частици с такава история на затворен цикъл не могат да бъдат наблюдавани на ускорителите. Техните странични ефекти обаче могат да бъдат измерени чрез наблюдение на редица експериментални ефекти. Единият е леко изместване на излъчването, излъчвано от водородни атоми, което се причинява от електрони, движещи се в затворени вериги. Другата е малка сила, действаща между успоредни метални пластини и причинена от факта, че между тях са поставени малко по-малко затворени контури, отколкото във външните области - това е друго еквивалентно третиране на ефекта на Казимир. По този начин съществуването на истории, затворени в цикъл, се потвърждава от експеримент (фиг. 5.15).

Спорно е дали подобни циклични истории на частиците имат нещо общо с кривината на пространство-времето, тъй като те се появяват дори на такъв непроменлив фон като плоското пространство. Но през последните години открихме, че физическите явления често имат еднакво валидни двойни описания. Също така е възможно да се каже, че частиците се движат в затворени контури срещу постоянен фон или че остават неподвижни, докато пространство-времето се колебае около тях. Свежда се до въпроса: искате ли първо да сумирате върху траекториите на частиците и след това върху извитите времена-пространства, или обратното?

По този начин изглежда, че квантовата теория позволява пътуване във времето в микроскопичен мащаб. Но за целите на научната фантастика като връщане назад във времето и убийството на дядо ви, това е малко полезно. Следователно остава въпросът: може ли вероятността, когато се сумира върху историите, да достигне максимум в пространство-времето с макроскопични времеви вериги?

Този въпрос може да бъде изследван чрез разглеждане на суми върху историите на материалните полета в последователност от фонови времена-пространства, които се приближават все повече и повече до позволяването на времеви примки. Би било естествено да очакваме това в момента, когато временно ААко цикълът се появи за първи път, нещо важно ще се случи. Точно това се случи в един прост пример, който изучавах с моя ученик Майкъл Касиди.

Фоновите времена-пространства, които изучавахме, бяха тясно свързани с така наречената вселена на Айнщайн, пространство-време, което Айнщайн предложи, когато все още вярваше, че вселената е статична и непроменлива във времето, нито се разширява, нито се свива (вижте Глава 1). Във вселената на Айнщайн времето се движи от безкрайно минало към безкрайно бъдеще. Но пространствените измерения са крайни и затворени сами по себе си, като повърхността на Земята, но само с още едно измерение. Такова пространство-време може да се изобрази като цилиндър, чиято надлъжна ос ще бъде времето, а напречното сечение ще бъде пространство с три измерения (фиг. 5.16).

Тъй като вселената на Айнщайн не се разширява, тя не съответства на вселената, в която живеем. Въпреки това, това е полезна рамка за обсъждане на пътуване във времето, защото е достатъчно проста, за да може да се направи сумиране на истории. Нека за момент забравим за пътуването във времето и да разгледаме материята във вселената на Айнщайн, която се върти около определена ос. Ако се окажете на тази ос, ще останете в същата точка в пространството, сякаш стоите в центъра на детска въртележка. Но като се позиционирате далеч от оста, ще се движите в пространството около нея. Колкото по-далеч сте от оста, толкова по-бързо ще бъде движението ви (фиг. 5.17). Така че, ако Вселената е безкрайна в пространството, точки, достатъчно далеч от оста, ще се въртят със свръхсветлинни скорости. Но тъй като вселената на Айнщайн е с ограничени пространствени измерения, има критична скорост на въртене, при която никоя част от нея няма да се върти по-бързо от светлината.

Сега помислете за сбора от историите на една частица във въртящата се вселена на Айнщайн. Когато въртенето е бавно, има много пътища, които една частица може да измине за дадено количество енергия. Следователно сумирането върху всички истории на една частица на такъв фон дава голяма амплитуда. Това означава, че вероятността за такъв фон, когато се сумира върху всички истории на изкривено пространство-време, ще бъде висока, тоест това е една от най-вероятните истории. Въпреки това, тъй като скоростта на въртене на вселената на Айнщайн се доближава до критична точка и скоростта на движение на нейните външни региони клони към скоростта на светлината, остава само един разрешен път И m за класически частици на ръба на Вселената, а именно движение със скоростта на светлината. Това означава, че сумата от историите на частицата ще бъде малка, което означава, че вероятностите за такова пространствено-времево с x фонове общо за всички истории на изкривено пространство-време ще бъдат ниски. Тоест те ще бъдат най-малко вероятни.

Но какво общо има пътуването във времето с m цикли имат въртящите се вселени на Айнщайн? Отговорът е, че те са математически еквивалентни на други среди, в които са възможни времеви цикли. Тези други среди са вселени, които се разширяват в две пространствени посоки. Такива вселени не се разширяват в третата пространствена посока, която е периодична. Тоест, ако извървите известно разстояние в тази посока, ще стигнете откъдето сте тръгнали. Но с всеки кръг в тази посока скоростта ви в първата и втората посока ще се увеличава (фиг. 5.18).

Ако ускорението е малко, тогава временно с x циклите не съществуват. Помислете обаче за последователност от фонове с всички b Опо-голямо увеличение на скоростта. Времевите примки се появяват при определена критична стойност на ускорението. Не е изненадващо, че това критично ускорение съответства на критичната скорост на въртене на вселените на Айнщайн. Тъй като изчисляването на сумата върху историите на двата фона е математически еквивалентно, можем да заключим, че вероятността за такива фонове клони към нула, когато се приближаваме до кривината, необходима за получаване на времеви цикли. С други думи, вероятността да се изкриви достатъчно за машина на времето е нула. Това потвърждава това, което наричам хипотеза за защита на хронологията: законите на физиката са предназначени да попречат на макроскопичните обекти да се движат във времето.

Макар и временно сТъй като циклите са разрешени, когато се сумират върху истории, вероятността им е изключително ниска. Въз основа на връзките на дуалността, споменати по-горе, изчислих вероятността Кип Торн да може да пътува назад във времето и да убие дядо си: беше по-малко от едно на десет на степен трилион трилион трилион трилион трилион.

Това е просто изненадващо ниска вероятност, но ако се вгледате внимателно в снимката на Кип, ще забележите лека мъгла около краищата. Това съответства на изчезващо малката вероятност някой мошеник от бъдещето да се върне назад във времето и да убие дядо си и следователно Кип наистина не е тук.

Тъй като сме хазартни типове, Кип и аз бихме искали да заложим на аномалия като тази. Проблемът обаче е, че не можем да направим това, защото в момента сме на едно мнение. И няма да правя облог с никой друг. Ами ако той се окаже извънземен от бъдещето, който знае, че пътуването във времето е възможно?

Имате ли чувството, че тази глава е написана по нареждане на правителството, за да скрие реалността на пътуването във времето? Може би си прав.

Световната линия е път в четириизмерното пространство-време. Времеподобните световни линии съчетават движение в пространството с естествено движение напред във времето. Само по такива линии могат да следват материални обекти.

Краен - имащ крайни размери.

Стивън Хоукинг

Светът накратко

Предговор

Не очаквах моята нехудожествена книга „Кратка история на времето“ да има такъв успех. Тя остана в списъка с бестселъри на London Sunday Times повече от четири години - по-дълго от всяка друга книга, което е особено изненадващо за публикация за наука, тъй като те обикновено не се разпродават много бързо. Тогава хората започнаха да питат кога да очакват продължение. Въздържах се, не исках да пиша нещо като „Продължение на един разказ“ или „Малко по-дълга история на времето“. Бях зает и с проучване. Но постепенно стана ясно, че може да се напише друга книга, която да има шанс да бъде по-лесна за разбиране. „Кратка история на времето“ е структурирана по линеен модел: в повечето случаи всяка следваща глава е логически свързана с предходните. Някои читатели го харесаха, но други се забиха в ранните глави и никога не стигнаха до по-интересните теми. Тази книга е структурирана по различен начин - тя е по-скоро като дърво: глави 1 и 2 образуват ствол, от който се простират клоните на останалите глави.

Тези „клонове“ са до голяма степен независими един от друг и след като е придобил представа за „ствола“, читателят може да се запознае с тях във всякакъв ред. Те се отнасят до области, в които съм работил или за които съм мислил след публикуването на „Кратка история на времето“. Тоест те отразяват най-активно развиващите се области на съвременните изследвания. Във всяка глава също се опитах да се отдалеча от линейната структура. Илюстрациите и надписите насочват читателя по алтернативен маршрут, както в Илюстрована кратка история на времето, публикувана през 1996 г. Страничните ленти и маргиналните бележки позволяват някои теми да бъдат разгледани по-задълбочено, отколкото е възможно в основния текст.

През 1988 г., когато за първи път беше публикувана „Кратка история на времето“, впечатлението беше, че окончателната Теория на всичко едва се очертава на хоризонта. Как се промени ситуацията оттогава? По-близо ли сме до целта си? Както ще научите в тази книга, напредъкът е драматичен. Но пътуването все още продължава и не се вижда край. Както се казва, по-добре е да продължите пътуването с надежда, отколкото да стигнете до целта. Нашите търсения и открития подхранват креативността във всички области, не само в науката. Ако стигнем до края на пътя, човешкият дух ще изсъхне и ще умре. Но не мисля, че някога ще спрем: ще се движим, ако не в дълбочина, то към сложността, винаги оставайки в центъра на разширяващия се хоризонт от възможности.

Имах много помощници, докато работех върху тази книга. Бих искал специално да благодаря на Томас Хертог и Нийл Шиърър за тяхната помощ с фигури, надписи и странични ленти, Ан Харис и Кити Фъргюсън, които редактираха ръкописа (или по-точно компютърните файлове, тъй като всичко, което пиша, се появява в електронна форма), Филип Дън от Book Laboratory и Moonrunner Design, които създават илюстрациите. Но също така искам да благодаря на всички, които ми дадоха възможност да водя нормален живот и да се занимавам с научни изследвания. Без тях тази книга нямаше да бъде написана.

Кратка история на относителността

Как Айнщайн полага основите

две фундаментални теории на ХХ век:

обща теория на относителността и квантова механика

Алберт Айнщайн, създателят на специалната и общата теория на относителността, е роден през 1879 г. в германския град Улм; по-късно семейството се премества в Мюнхен, където бащата на бъдещия учен Херман и неговият чичо Якоб имат малка и не особено успешна фирма за електротехника. Алберт не е бил дете чудо, но твърденията, че се е провалил в училище, изглеждат преувеличени. През 1894 г. бизнесът на баща му се проваля и семейството се премества в Милано. Родителите му решават да оставят Алберт в Германия, докато завърши училище, но той не може да понесе германския авторитаризъм и след няколко месеца напуска училище, отивайки в Италия, за да се присъедини към семейството си. По-късно завършва образованието си в Цюрих, като през 1900 г. получава диплома от престижната Политехника ( д idgenössische T echnische з ochschule - Висше техническо училище). Склонността на Айнщайн да спори и да не харесва своите началници му попречи да установи връзки с професори от ETH, така че никой от тях не му предложи позицията на асистент, която обикновено започваше академичната му кариера. Само две години по-късно младежът най-после успява да си намери работа като младши чиновник в Швейцарското патентно ведомство в Берн. През този период, през 1905 г., той написва три статии, които не само превръщат Айнщайн в един от водещите учени в света, но също така отбелязват началото на две научни революции - революции, които променят представите ни за времето, пространството и самата реалност.

До края на 19-ти век учените вярват, че са се доближили до цялостно описание на Вселената. Според техните идеи пространството е изпълнено с непрекъсната среда - "етер". Светлинните лъчи и радиосигналите се разглеждат като вълни на етера, точно както звукът е вълна на плътността на въздуха. Всичко, което беше необходимо за завършване на теорията, беше внимателно измерване на еластичните свойства на етера. С оглед на тази цел лабораторията Джеферсън в Харвардския университет е построена без нито един железен пирон, за да се избегнат възможни смущения при най-фините магнитни измервания. Дизайнерите обаче забравиха, че червено-кафявата тухла, използвана при изграждането на лабораторията и повечето други сгради в Харвард, съдържа значителни количества желязо. Сградата все още се използва днес, но Харвард все още не знае колко тегло могат да издържат подовете на библиотеката, които не съдържат железни пирони.

Към края на века концепцията за всепроникващ етер започва да среща трудности. Очакваше се светлината да пътува през етера с фиксирана скорост, но ако вие самият се движете през етера в същата посока като светлината, скоростта на светлината трябва да изглежда по-бавна, а ако се движите в обратна посока, скоростта на светлина изглежда по-бързо (Фигура 1.1).

Ориз. 1.1 Теория на неподвижния етер

Ако светлината беше вълна в еластично вещество, наречено етер, нейната скорост ще изглежда по-бърза за някой, който се движи в космически кораб към нея (a), и по-бавна за някой, който се движи в същата посока като светлината (b).

Въпреки това, в редица експерименти тези идеи не могат да бъдат потвърдени. Най-точният и правилен от тях е извършен през 1887 г. от Албърт Микелсън и Едуард Морли в Case School of Applied Sciences, Кливланд, Охайо. Те сравняват скоростта на светлината в два лъча, движещи се под прав ъгъл един спрямо друг. Тъй като Земята се върти около оста си и се върти около Слънцето, скоростта и посоката на движение на оборудването през етера се променя (фиг. 1.2). Но Майкелсън и Морли не откриха дневни или годишни разлики в скоростта на светлината в двата лъча. Оказа се, че светлината винаги се движи спрямо вас с еднаква скорост, независимо колко бързо и в каква посока се движите (фиг. 1.3).

Ориз. 1.2

Не са открити разлики между скоростта на светлината в посока на орбитата на Земята и скоростта на светлината в перпендикулярна посока.

Въз основа на експеримента на Микелсън-Морли ирландският физик Джордж Фицджералд и холандският физик Хендрик Лоренц предполагат, че телата, движещи се през етера, трябва да се свиват и часовниците трябва да се забавят. Това компресиране и забавяне са такива, че хората винаги ще измерват една и съща скорост на светлината, независимо от това как се движат спрямо етера. (Фицджералд и Лоренц все още смятат етера за истинска субстанция.) Въпреки това, в статия, написана през юни 1905 г., Айнщайн отбелязва, че ако никой не може да определи дали той се движи през етера или не, тогава самата концепция за етер става излишен. Вместо това той започна с постулата, че законите на физиката трябва да са еднакви за всички свободно движещи се наблюдатели. По-специално, всички те, измервайки скоростта на светлината, трябва да получат една и съща стойност, независимо колко бързо се движат самите те. Скоростта на светлината не зависи от техните движения и е еднаква във всички посоки.

Ориз. 1.3. Измерване на скоростта на светлината

В интерферометъра Michelson-More светлината от източника се разделя на два лъча от полупрозрачно огледало. Лъчите се движеха перпендикулярно един на друг и след това отново се обединиха, падайки върху полупрозрачно огледало. Разликата в скоростта на светлинните лъчи, движещи се в две посоки, може да доведе до факта, че гребените на вълните на единия лъч ще пристигнат едновременно с падините на вълните на другия и ще се компенсират взаимно.

Стивън Хоукинг

Светът накратко

Предговор

Не очаквах моята нехудожествена книга „Кратка история на времето“ да има такъв успех. Тя остана в списъка с бестселъри на London Sunday Times повече от четири години - по-дълго от всяка друга книга, което е особено изненадващо за публикация за наука, тъй като те обикновено не се разпродават много бързо. Тогава хората започнаха да питат кога да очакват продължение. Въздържах се, не исках да пиша нещо като „Продължение на един разказ“ или „Малко по-дълга история на времето“. Бях зает и с проучване. Но постепенно стана ясно, че може да се напише друга книга, която да има шанс да бъде по-лесна за разбиране. „Кратка история на времето“ е структурирана по линеен модел: в повечето случаи всяка следваща глава е логически свързана с предходните. Някои читатели го харесаха, но други се забиха в ранните глави и никога не стигнаха до по-интересните теми. Тази книга е структурирана по различен начин - тя е по-скоро като дърво: глави 1 и 2 образуват ствол, от който се простират клоните на останалите глави.

Тези „клонове“ са до голяма степен независими един от друг и след като е придобил представа за „ствола“, читателят може да се запознае с тях във всякакъв ред. Те се отнасят до области, в които съм работил или за които съм мислил след публикуването на „Кратка история на времето“. Тоест те отразяват най-активно развиващите се области на съвременните изследвания. Във всяка глава също се опитах да се отдалеча от линейната структура. Илюстрациите и надписите насочват читателя по алтернативен маршрут, както в Илюстрована кратка история на времето, публикувана през 1996 г. Страничните ленти и маргиналните бележки позволяват някои теми да бъдат разгледани по-задълбочено, отколкото е възможно в основния текст.

През 1988 г., когато за първи път беше публикувана „Кратка история на времето“, впечатлението беше, че окончателната Теория на всичко едва се очертава на хоризонта. Как се промени ситуацията оттогава? По-близо ли сме до целта си? Както ще научите в тази книга, напредъкът е драматичен. Но пътуването все още продължава и краят му не се вижда. Както се казва, по-добре е да продължите пътуването с надежда, отколкото да стигнете до целта. Нашите търсения и открития подхранват креативността във всички области, не само в науката. Ако стигнем до края на пътя, човешкият дух ще изсъхне и ще умре. Но не мисля, че някога ще спрем: ще се движим, ако не в дълбочина, то към сложността, винаги оставайки в центъра на разширяващия се хоризонт от възможности.

Имах много помощници, докато работех върху тази книга. Бих искал специално да благодаря на Томас Хертог и Нийл Шиърър за тяхната помощ с фигури, надписи и странични ленти, Ан Харис и Кити Фъргюсън, които редактираха ръкописа (или по-точно компютърните файлове, тъй като всичко, което пиша, се появява в електронна форма), Филип Дън от Book Laboratory и Moonrunner Design, които създават илюстрациите. Но също така искам да благодаря на всички, които ми дадоха възможност да водя нормален живот и да се занимавам с научни изследвания. Без тях тази книга нямаше да бъде написана.

Кратка история на относителността

Как Айнщайн полага основите

две фундаментални теории на ХХ век:

обща теория на относителността и квантова механика

Алберт Айнщайн, създателят на специалната и общата теория на относителността, е роден през 1879 г. в германския град Улм; по-късно семейството се премества в Мюнхен, където бащата на бъдещия учен Херман и неговият чичо Якоб имат малка и не особено успешна фирма за електротехника. Алберт не е бил дете чудо, но твърденията, че се е провалил в училище, изглеждат преувеличени. През 1894 г. бизнесът на баща му се проваля и семейството се премества в Милано. Родителите му решават да оставят Алберт в Германия, докато завърши училище, но той не може да понесе германския авторитаризъм и след няколко месеца напуска училище, отивайки в Италия, за да се присъедини към семейството си. По-късно завършва образованието си в Цюрих, като през 1900 г. получава диплома от престижната Политехника ( д idgenössische T echnische з ochschule - Висше техническо училище). Склонността на Айнщайн да спори и да не харесва своите началници му попречи да установи връзки с професори от ETH, така че никой от тях не му предложи позицията на асистент, която обикновено започваше академичната му кариера. Само две години по-късно младежът най-после успява да си намери работа като младши чиновник в Швейцарското патентно ведомство в Берн. През този период, през 1905 г., той написва три статии, които не само превръщат Айнщайн в един от водещите учени в света, но също така отбелязват началото на две научни революции - революции, които променят представите ни за времето, пространството и самата реалност.

До края на 19-ти век учените вярват, че са се доближили до цялостно описание на Вселената. Според техните идеи пространството е изпълнено с непрекъсната среда - "етер". Светлинните лъчи и радиосигналите се разглеждат като вълни на етера, точно както звукът е вълна на плътността на въздуха. Всичко, което беше необходимо за завършване на теорията, беше внимателно измерване на еластичните свойства на етера. С оглед на тази цел лабораторията Джеферсън в Харвардския университет е построена без нито един железен пирон, за да се избегнат възможни смущения при най-фините магнитни измервания. Дизайнерите обаче забравиха, че червено-кафявата тухла, използвана при изграждането на лабораторията и повечето други сгради в Харвард, съдържа значителни количества желязо. Сградата все още се използва днес, но Харвард все още не знае колко тегло могат да издържат подовете на библиотеката, които не съдържат железни пирони.

Към края на века концепцията за всепроникващ етер започва да среща трудности. Очакваше се светлината да пътува през етера с фиксирана скорост, но ако вие самият се движете през етера в същата посока като светлината, скоростта на светлината трябва да изглежда по-бавна, а ако се движите в обратна посока, скоростта на светлина изглежда по-бързо (Фигура 1.1).

Ориз. 1.1 Теория на неподвижния етер

Ако светлината беше вълна в еластично вещество, наречено етер, нейната скорост ще изглежда по-бърза за някой, който се движи в космически кораб към нея (a), и по-бавна за някой, който се движи в същата посока като светлината (b).

Въпреки това, в редица експерименти тези идеи не могат да бъдат потвърдени. Най-точният и правилен от тях е извършен през 1887 г. от Албърт Микелсън и Едуард Морли в Case School of Applied Sciences, Кливланд, Охайо. Те сравняват скоростта на светлината в два лъча, движещи се под прав ъгъл един спрямо друг. Тъй като Земята се върти около оста си и се върти около Слънцето, скоростта и посоката на движение на оборудването през етера се променя (фиг. 1.2). Но Майкелсън и Морли не откриха дневни или годишни разлики в скоростта на светлината в двата лъча. Оказа се, че светлината винаги се движи спрямо вас с еднаква скорост, независимо колко бързо и в каква посока се движите (фиг. 1.3).

Живо и интригуващо. Хокинг има природна дарба да преподава и обяснява, и хумористично илюстрира изключително сложни концепции с аналогии от ежедневието.

Ню Йорк Таймс

Тази книга съчетава чудесата от детството с гениалните интелекти. Пътуваме през вселената на Хокинг, пренесени от силата на неговия ум.

Sunday Times

Жив и остроумен... Позволява на обикновения читател да извлече дълбоки научни истини от първоизточника.

Нюйоркчанин

Стивън Хокинг е майстор на яснотата... Трудно е да си представим, че някой друг жив днес има по-ясно представени математически изчисления, които плашат лаиците.

Чикаго Трибюн

Вероятно най-добрата научно-популярна книга. Майсторско обобщение на това, което съвременните физици знаят за астрофизиката. Благодаря ви д-р Хокинг! мислейки за Вселената и как се е появила по този начин.

Wall Street Journal

През 1988 г. рекордната книга на Стивън Хокинг „Кратка история на времето“ запознава читателите по света с идеите на този забележителен физик теоретик. И ето ново важно събитие: Хокинг се завръща! Превъзходно илюстрираното продължение, „Светът накратко“, разкрива научните открития, направени след публикуването на първата му, широко приветствана книга.

Един от най-блестящите учени на нашето време, известен не само със смелостта на своите идеи, но и с яснотата и остроумието на израза си, Хокинг ни отвежда до най-новото изследване, където истината изглежда по-странна от измислицата, за да обясни в просто казано принципите, които управляват вселената. Подобно на много физици теоретични, Хокинг копнее да открие Светия Граал на науката – Теорията на всичко, която лежи в основата на космоса. Позволява ни да се докоснем до тайните на Вселената: от супергравитацията до суперсиметрията, от квантовата теория до М-теорията, от холографията до дуалностите. Отправяме се на вълнуващо приключение с него, докато той говори за опитите си да надгради общата теория на относителността на Айнщайн и идеята на Ричард Файнман за множество истории в една цялостна единна теория, която би описала всичко, което се случва във Вселената.

Ние го придружаваме в едно необикновено пътешествие през пространство-времето, а великолепните цветни илюстрации служат като ориентири в това пътуване през една сюрреалистична страна на чудесата, където частици, мембрани и струни се движат в единадесет измерения, където черните дупки се изпаряват, отнасяйки своите тайни със себе си, и където космическото семе, от което израсна нашата Вселена, беше мъничко орехче.

Стивън Хокинг е професор по математика на Лукас в университета в Кеймбридж, наследявайки Исак Нютон и Пол Дирак. Смятан е за един от най-видните физици теоретични след Айнщайн.

Светът накратко

Че Вселената има много истории,

всеки от които

дефиниран от малка гайка

Бих се разгледал накратко

господар на необятното пространство.

В Шекспир. Хамлет. Акт 2, сцена 2

Хамлет може да е имал предвид, че въпреки че ние, хората, сме много ограничени физически, нашите умове са свободни в желанието си да разберат целия свят и смело да отидат там, където дори героите от Стар Трек не смеят да отидат - разрешени са най-ужасните сънища.

Вселената наистина ли е безкрайна или просто много голяма? Вечен ли е или просто има дълъг живот? Как нашият ограничен ум може да разбере безкрайната Вселена? Прекалено голямо самочувствие ли е дори да се опита такова нещо? Не рискуваме ли да повторим съдбата на Прометей, който според класическия мит откраднал огъня от Зевс и научил хората как да го използват, а като наказание за безразсъдна смелост бил окован за скала и станал плячка на орел че долетя да му изкълве черния дроб?

Космически телескоп Хъбъл.

Въпреки предупреждението на легендата, аз вярвам, че можем и трябва да се опитаме да разберем Вселената. Вече направихме забележителни крачки в разбирането на пространството, особено през последните години. Все още нямаме пълната картина, но може да е точно зад ъгъла.

Най-очевидният факт за пространството е, че то продължава и продължава и продължава. Това се потвърждава от съвременни инструменти като телескопа Хъбъл, който ни позволява да надникнем в дълбокия космос. Там виждаме милиарди и милиарди галактики с различни форми и размери (фиг. 3.1).

Когато погледнем в дълбините на Вселената, виждаме милиарди и милиарди галактики. Галактиките могат да имат различни форми и размери; те могат да бъдат елипсовидни или спирални, като нашия Млечен път.

Нашата планета Земя (3) обикаля около Слънцето в периферната област на спиралната галактика Млечен път. Междузвездният прах в спиралните ръкави ни пречи да наблюдаваме по посока на галактическата равнина, но има добра видимост отстрани на нея.

Всяка галактика съдържа безброй милиарди звезди и много от тях имат планети. Ние живеем на планета, обикаляща около звезда във външния ръкав на спиралната галактика Млечен път. Прахът в спиралните ръкави ни пречи да наблюдаваме Вселената близо до галактическата равнина, но по посока на двата конуса от двете страни на тази равнина видимостта е отлична и можем да определим позициите на далечните галактики (фиг. 3.2) . Открихме, че галактиките са разпределени приблизително равномерно в пространството, с отделни локални бучки и празнини. Изглежда, че плътността на галактиките на много големи разстояния намалява, но най-вероятно поради разстоянието им светлината им става толкова слаба, че ние просто не ги регистрираме. Доколкото можем да кажем, Вселената се простира в пространството за неопределено време (фиг. 3.3).

Виждаме, че с изключение на отделни локални струпвания, галактиките са разпределени почти равномерно в пространството.

Въпреки че Вселената изглежда почти еднакво навсякъде в космоса, тя определено се променя с времето. До началото на ХХ век това не се осъзнаваше - смяташе се, че основно е непроменено. Предполагаше се, че съществува безкрайно време, но това доведе до абсурдни заключения. Ако звездите трябваше да светят за неопределено време, те ще трябва да затоплят Вселената до тяхната температура. Дори през нощта цялото небе щеше да свети толкова ярко, колкото слънцето, тъй като във всяка посока погледът в крайна сметка щеше да се окаже или звезда, или облак прах, нагрят до същата температура като звездите (фиг. 3.4).

Ако Вселената беше статична и безкрайна във всички посоки, нощното небе щеше да бъде осеяно със звезди навсякъде и да свети толкова ярко, колкото повърхността на Слънцето.

Всички сме наблюдавали нощното небе и знаем, че е тъмно, а това е много важно. От това следва, че Вселената не може да остане завинаги в същото състояние, в каквото е днес. В миналото, преди крайно време, трябва да се е случило нещо, което е накарало звездите да светят, което означава, че светлината на много далечни звезди все още не е достигнала до нас. Затова небето нощем не ни заслепява от всички страни.

Но ако звездите винаги са били на местата си, защо изведнъж са светнали преди няколко милиарда години? Кой таймер им каза, че е време да светят? Както знаем, много философи са озадачавали това, които, подобно на Имануел Кант, са вярвали, че Вселената съществува вечно. Повечето хора обаче се чувстваха доста комфортно с идеята, че Вселената е създадена само преди няколко хиляди години, като цяло такава, каквато е сега.

Несъгласията с тази идея започнаха да се появяват благодарение на наблюденията на Весто Слайфър и Едуин Хъбъл през второто десетилетие на ХХ век. А през 1923 г. Хъбъл открива, че множество едва видими петна в небето, наречени мъглявини, всъщност са други галактики, огромни конгломерати от същите звезди като нашето Слънце, но разположени на големи разстояния. За да изглеждат толкова малки и бледи, разстоянията трябва да са толкова големи, че светлината ще отнеме милиони или дори милиарди години, за да достигне до нас. Това означава, че Вселената не може да се е появила само преди няколко хиляди години.

Второто откритие на Хъбъл беше още по-забележително. Астрономите знаят, че като анализираме светлината на други галактики, можем да определим дали те се движат към нас или се отдалечават от нас (Фигура 3.5). За тяхна голяма изненада се оказа, че почти всички галактики се отдалечават. Освен това, колкото по-далеч са галактиките, толкова по-бързо се отдалечават. Хъбъл осъзна драматичната последица от това откритие: в големи мащаби всяка галактика се отдалечава от всяка друга. Вселената се разширява

Нашата съседна галактика, мъглявината Андромеда, чиито параметри са измерени от Хъбъл и Слайфър

Хронология на откритията, направени от Слайфър и Хъбъл между 1910 и 1930 г.

1912 - Слайфър получи спектрите на четири мъглявини и откри червено изместване в три от тях и синьо изместване в спектъра на мъглявината Андромеда. Той заключи, че мъглявината Андромеда се приближава към нас, докато други мъглявини се отдалечават от нас.

1912–1914 - Слайфър измерва спектрите на още 12 мъглявини. Всички до един се оказаха с червено преместване.

1914 - Слайфър представи резултатите си пред Американското астрономическо дружество. Хъбъл присъстваше.

1918 - Хъбъл започва да изследва мъглявините.

1923 - Хъбъл установи, че спиралните мъглявини (включително мъглявината Андромеда) са други галактики.

1914–1925 - Слайфър и други астрономи продължиха да измерват доплеровите смени. До 1925 г. са измерени 43 червени премествания и 2 сини премествания.

1929 - Хъбъл и Милтън Хюмасън, след като продължиха да измерват доплеровите смени и откриха, че в големи мащаби всяка галактика изглежда сякаш се отдалечава от другите, обявиха, че Вселената се разширява.

Доплер ефект

Наблюдаваме ефекта на Доплер, който разкрива връзката между дължината на вълната и скоростта, почти всеки ден. Слушайте самолета, който лети над вас. Когато се приближи, двигателят звучи високо, а когато се отдалечи - тихо.

Високият тон съответства на по-къси звукови вълни (с малко разстояние от един гребен на вълната до следващия) и по-високи честоти (броят на вълните, пристигащи за секунда).

Ефектът на Доплер се дължи на факта, че приближаващият самолет ще бъде по-близо до вас, когато създаде следващия гребен на вълната, което означава, че разстоянието между гребените ще бъде намалено. По същия начин, когато самолетът се отдалечава, дължините на вълните се увеличават и височината на възприемания звук намалява.

Откриването на разширяването на Вселената е една от най-големите интелектуални революции на 20 век. То се оказа напълно неочаквано и напълно промени хода на дискусията за произхода на Вселената. Ако галактиките се раздалечават, те трябва да са били по-близо една до друга в миналото. Въз основа на сегашната скорост на разширяване можем да заключим, че преди някъде между 10 и 15 милиарда години те са били много близо един до друг. Както беше описано в предишната глава, Роджър Пенроуз и аз успяхме да покажем, че общата теория на относителността на Айнщайн предполага, че вселената и самото време трябва да имат начало под формата на грандиозна експлозия. Ето защо нощното небе е тъмно: нито една звезда не може да свети повече от десет до петнадесет милиарда години - времето, изминало от Големия взрив.

Ефектът на Доплер се проявява и при светлинните вълни. Ако една галактика остане на постоянно разстояние от Земята, характерни линии в нейния спектър ще се появят при нормални стандартни позиции. Ако обаче се отдалечи от нас, вълните ще изглеждат по-дълги или разтегнати, а характерните спектрални линии ще се изместят към червено (вдясно). Ако галактиката се приближава до нас, тогава вълните ще изглеждат компресирани и линиите ще претърпят синьо изместване.

Едуин Хъбъл в 100-инчовия телескоп в обсерваторията Маунт Уилсън. 1930 г

Анализирайки светлината на други галактики, Едуин Хъбъл открива през 20-те години на миналия век, че почти всички галактики се отдалечават от нас със скорост V, която е пропорционална на разстоянието Рот земята: V= N x R. Този важен модел, наречен закон на Хъбъл, установява, че Вселената се разширява и константата на Хъбъл нопределя скоростта на неговото разширяване.

Ориз. З.6. Закон на Хъбъл

Графиката показва най-новите данни от наблюдения за червените премествания на галактиките, потвърждаващи, че законът на Хъбъл действа на огромни разстояния от нас. Леко извиване нагоре на по-големи разстояния предполага, че разширяването се ускорява, вероятно под въздействието на вакуумна енергия.

Ние сме свикнали с факта, че някои събития са причинени от други, по-ранни събития, които от своя страна са причинени от още по-ранни. Има верига от причинно-следствени връзки, простираща се назад в миналото. Но нека приемем, че тази верига има начало. Да приемем, че първото събитие се е случило. Какво го е причинило? Това не е въпрос, който повечето учени искат да решат. Те се опитват да го избегнат, като заявяват, подобно на руснаците, че Вселената няма начало, или като твърдят, че въпросът за нейния произход е извън сферата на науката и принадлежи на метафизиката и религията. Моето мнение е, че един истински учен не трябва да приема нито една от тези позиции. Ако законите на природата са спряни в началото на Вселената, защо да не бъдат нарушавани и в други моменти? Законът не е закон, ако се прилага само понякога. Трябва да се опитаме да обясним научно началото на Вселената. Тази задача може да не е по силите ни, но поне трябва да опитаме.

Въпреки че теоремите, които Пенроуз и аз доказахме, показаха, че вселената трябва да има начало, те не казват почти нищо за природата на това начало. Те показват, че Вселената е започнала с Големия взрив, състояние, в което цялата и всичко в нея е компресирано в една точка с безкрайна плътност. В този момент общата теория на относителността на Айнщайн става неприложима и не може да се използва за предсказване как точно е възникнала Вселената. Принудени сме да признаем, че произходът на Вселената очевидно е извън границите на науката.

Горещ голям взрив

Ако общата теория на относителността е вярна, Вселената е започнала с безкрайно висока температура и плътност при сингулярността на Големия взрив. С разширяването на Вселената температурата и интензивността на радиацията намаляват. Около една стотна от секундата след Големия взрив температурата е била около 100 милиарда градуса и Вселената е била изпълнена предимно с фотони, електрони, неутрино (много леки частици) и техните античастици, както и някои протони и неутрони. През следващите три минути Вселената се охлади до около 1 милиард градуса и протоните и неутроните започнаха да образуват хелий, водородни изотопи и други леки елементи.

Стотици хиляди години по-късно, когато температурите паднаха до няколко хиляди градуса, електроните се забавиха до такава степен, че леките ядра можеха да ги уловят, образувайки атоми. Въпреки това, по-тежките елементи, които ни изграждат, като въглерод и кислород, са се образували едва милиарди години по-късно от изгарянето на хелий в ядрата на звездите.

Тази картина на плътна, гореща Вселена е описана за първи път от физика Джордж Гамов през 1948 г. в статия, написана с Ралф Алфър, която прави забележителното предсказание, че радиацията от тази много гореща ера все още трябва да е около нас днес. Прогнозата на учените се потвърждава през 1965 г., когато физиците Арно Пензиас и Робърт Уилсън откриват космическо фоново микровълново лъчение.

Но това не е заключение, което би зарадвало учените. Както беше отбелязано в глави 1 и 2, причината общата теория на относителността да не работи близо до Големия взрив е, че тя не включва принципа на неопределеността, който въвежда елемент на случайност в квантовата теория и за който Айнщайн каза, че Бог Бог не играе на зарове . Всичко обаче сочи, че Господ Бог е заклет комарджия. Можете да си представите Вселената като огромно казино, в което всеки път се хвърлят зарове или се върти колело на рулетка (фиг. 3.7).

Може би си мислите, че управлението на казино е много несигурен бизнес, защото всяко хвърляне на зарове или завъртане на рулетка носи риск от загуба на пари. Но при голям брой залози, печалбите и загубите се осредняват и излиза резултат, който може да се предвиди (фиг. 3.8). Собствениците на казина уреждат отклоненията да бъдат средни в тяхна полза. Затова са богати. Единственият ви шанс да спечелите е да заложите всичките си пари на малък брой хвърляния на зарове или завъртания на рулетка.

Ако играч залага на червено много пъти, тогава неговата победа или загуба може да бъде предвидена с висока точност, тъй като резултатите от отделните игри са осреднени. От друга страна, невъзможно е да се предвиди резултатът от всеки отделен залог.

Същото е и с Вселената. Когато е толкова голям, колкото е днес, има много голям брой хвърляния на зарове, резултатът е осреднен и може да се предвиди. Ето защо класическите закони работят за големи системи. Но когато Вселената е много малка, както при Големия взрив, заровете се хвърлят само малък брой пъти и принципът на неопределеността става много важен.

Тъй като Вселената непрекъснато хвърля заровете, за да разбере какво ще се случи след това, тя няма нито една история, както може да се мисли. Напротив, Вселената има всички възможни истории - всяка с определена вероятност. Сред тях трябва да бъде такъв, в който отборът на Белиз взе всички златни медали на Олимпиадата, въпреки че може да има малка вероятност. Идеята, че Вселената има множество истории, може да изглежда като научна фантастика, но днес се приема като научен факт. Той е формулиран от Ричард Файнман, който беше велик физик и голям оригинал.

Сега работим, за да комбинираме общата теория на относителността на Айнщайн и идеята на Файнман за множество истории в една цялостна единна теория, която описва всичко, което се случва във Вселената. Единна теория ще ни позволи да изчислим как ще се развива Вселената, ако знаем как е започнала нейната история. Но една обединена теория сама по себе си няма да ни позволи да разберем откъде е започнала Вселената, какво е било нейното първоначално състояние. Това изисква така наречените гранични условия, правила, които ни казват какво се случва в краищата на Вселената, в краищата на пространството и времето.

Ако ръбът на Вселената беше само точка в пространство-времето, бихме могли да разширим границите.

Ако ръбът на Вселената минаваше през обикновена точка в пространството и времето, бихме могли да отидем по-далеч и да твърдим, че сме отишли ​​отвъд Вселената. От друга страна, ако Вселената завършваше на ръба, където пространството и времето са смачкани и плътността е безкрайна, би било много трудно да се определят значими гранични условия.

И все пак моят колега Джим Хартъл и аз осъзнахме, че има и трети вариант. Може би Вселената няма граници в пространството и времето. На пръв поглед изглежда, че това противоречи на теоремата, която Пенроуз и аз доказахме, че Вселената трябва да има начало, тоест граница във времето. Въпреки това, както е обяснено в глава 2, има друг тип време, наречено въображаемо време, перпендикулярно на обикновеното реално време, което възприемаме. Историята на Вселената в реално време определя нейната история във въображаемото време и обратно, но тези два вида история могат да бъдат много различни. Например във въображаемото време Вселената може да няма начало или край. Въображаемото време се държи почти като допълнителна посока в пространството. По-специално, различните истории на Вселената във въображаемо време могат да бъдат представени чрез извити повърхности, като сфера, равнина или седло, но в четири измерения, а не в две (Фигура 3.9).

Ориз. 3.9 Истории на Вселената

Ако историята на Вселената върви до безкрайност, както в случая със седлото, тогава възниква проблемът за задаване на гранични условия в безкрайността. Ако всички истории на Вселената във въображаемо време са затворени повърхности, подобни на повърхността на Земята, тогава изобщо не е необходимо да се определят гранични условия.

Ако, подобно на седло или равнина, историите на Вселената отиват до безкрайност, тогава възникват проблеми с определянето на гранични условия в безкрайността. Но ако всички истории на Вселената във въображаемо време са затворени повърхности, подобни на повърхността на Земята, тогава можем напълно да избегнем определянето на гранични условия. Повърхността на Земята няма граници или ръбове. Няма надеждни сведения, че хората са си изпуснали нервите.

Закони на еволюцията и начални условия

Законите на физиката определят как първоначалното състояние се променя с времето. Например, ако хвърлим камък във въздуха, законът на гравитацията ще ни позволи да предвидим последващото му движение с висока точност. Но не можем да предвидим къде ще падне камък само въз основа на законите. Също така трябва да знаем скоростта и посоката на движението му в момента, когато напуска ръката. С други думи, трябва да знаем началните или, както се казва, гранични условия за движението на камъка.

Космологията се опитва да опише еволюцията на цялата Вселена, използвайки законите на физиката. Следователно трябва да се запитаме какви са били първоначалните условия на Вселената, към които трябва да приложим тези закони. Първоначалното състояние може да има много значително влияние върху фундаменталните свойства на Вселената, може би дори върху свойствата на елементарните частици и взаимодействията, които са от решаващо значение за развитието на биологичния живот.

Едно от предположенията е безграничното условие, че времето и пространството са крайни и образуват затворени повърхности, които нямат граници. Предположението за липса на граници се основава на идеята на Файнман за множество истории, но историята на частицата в сумата на Файнман в този случай е заменена от общото пространство-време, което представлява историята на цялата Вселена. Условието за липса на граници е, за да бъдем точни, ограничение на възможните истории на Вселената до онези времена-пространства, които нямат граници във въображаемото време. С други думи, граничните условия за Вселената са, че тя няма гранични условия.

Космолозите в момента изучават дали първоначална конфигурация, удовлетворяваща безграничното предположение, може би заедно със слабия антропичен принцип, може да доведе до развитието на Вселена, подобна на тази, която наблюдаваме.

Ако въображаемите времеви истории на Вселената наистина са затворени повърхности, както предложихме Хартъл и аз, това би трябвало да има важни последствия за философията и за картината на нашия произход. Вселената в този случай е напълно затворена и самодостатъчна; не е необходимо нищо извън него, за да навиете часовника и да го поддържате работещ. Всичко в света трябва да се определя от законите на природата и да се задвижва чрез хвърляне на зарове във Вселената. Въпреки че това може да звучи като спекулация, аз вярвам в това, както и много други учени.

Повърхността на Земята няма граници или ръбове. Слуховете за падане на хора до края на света са донякъде преувеличени.

Дори ако граничното условие за Вселената е липсата на гранични условия, тя пак ще има повече от една история. Според Файнман има много истории. Всяка възможна затворена повърхност трябва да има своя собствена история във въображаемо време и всяка от тях определя история в реално време.

В резултат на това получаваме супер-разнообразие от възможности за Вселената. С какво конкретната Вселена, в която живеем, се отличава от набора от всички възможни Вселени? От една страна, може да се отбележи, че много възможни истории на Вселената не водят до последователно формиране на галактики и звезди, което е фундаментално за нашето раждане. Въпреки че е възможно интелигентните същества да се развиват без галактики и звезди, това изглежда малко вероятно. Ето защо фактът, че ние самите съществуваме, способни да зададем въпроса „Защо Вселената е такава, каквато е?“ налага граници на историята на света, в който живеем. Този факт показва, че трябва да се реализира една от малка част от истории, в които има галактики и звезди. Това е илюстрация на така наречения антропичен принцип. Той казва, че Вселената трябва да прилича повече или по-малко на това, което наблюдаваме, защото ако беше различна, нямаше да има кой да я наблюдава (Фигура 3.10).

Вляво: вселени, които колабират, стават затворени. Вдясно: отворени вселени (b), които продължават да се разширяват вечно.

Граничните вселени, които се люшкат между колапс в себе си и по-нататъшно разширяване (c1) или с двойна инфлация (c2), може да съдържат интелигентен живот. Нашата Вселена (d) продължава да се разширява.

Антропен принцип

Грубо казано, антропният принцип гласи, че виждаме Вселената такава, каквато е, отчасти защото съществуваме. Тази гледна точка е диаметрално противоположна на надеждата за създаване на единна теория, способна да прави недвусмислени прогнози, базирани на изчерпателен набор от закони на физиката и според която нашият свят е това, което е, защото не може да бъде различен. Има много различни вариации на антропния принцип, вариращи от слаби до степен на тривиалност до толкова силни, че стават абсурдни. Въпреки че повечето учени не са склонни да приемат само силния антропен принцип, има и такива, които са готови да оспорят дори разсъжденията, базирани на слабия.

Слабият антропен принцип се свежда до обяснение в коя от многото епохи или части на Вселената бихме могли да живеем. Например, Големият взрив трябва да е настъпил преди около 10 милиарда години: Вселената трябва да е била достатъчно стара, че някои звезди вече да са завършили своята еволюция и да са произвели елементите, които ни изграждат, като кислород и въглерод, но в същото време достатъчно млади, че все още имаше звезди, способни да поддържат съществуването на живот с енергията си.

При предположението за липса на граници човек може да използва правилата на Файнман, за да присвои числа на всяка история на Вселената, за да определи какви свойства е най-вероятно да притежава. В този контекст антропният принцип се явява като изискване историите да съдържат интелигентен живот. Разбира се, бихме били по-малко загрижени за антропния принцип, ако можеше да се покаже, че от много различни първоначални конфигурации, Вселената има тенденция да се развива по такъв начин, че да създаде свят, подобен на този, който наблюдаваме. Това може да означава, че първоначалното състояние на частта от света, в която живеем, не е задължително да бъде избрано с особено внимание.

Много учени не харесват антропния принцип, защото изглежда неясен и няма голяма предсказваща сила. Въпреки това антропният принцип може да получи точна формулировка и изглежда важен при обсъждането на произхода на Вселената. М-теорията, спомената в Глава 2, допуска огромно разнообразие от истории на Вселената. Повечето от тези истории не са подходящи за развитието на интелигентен живот: празни, твърде кратки, прекалено усукани или неподходящи по някакъв друг начин. Освен това, според идеята на Ричард Файнман за множеството истории, тези необитаеми опции могат да имат много голяма вероятност.

Истории на Файнман

Ричард Файнманроден в Бруклин, Ню Йорк, през 1918 г. През 1942 г. получава докторска степен под ръководството на Джон Уилър в Принстънския университет. Малко след това той е привлечен да участва в проекта Манхатън. Файнман стана известен със своя неспокоен характер и практични шеги (в Лос Аламос той се забавляваше, като отваряше сейфове, съдържащи класифицирана информация), както и с това, че беше изключителен физик: той стана ключов разработчик на теорията за атомната бомба. Самата същност на неговата личност беше ненаситно любопитство към света около него. Това не само подхранва неговия научен успех, но и води до невероятни постижения като дешифрирането на йероглифите на маите.

След Втората световна война Файнман предлага нов, много ефективен възглед за квантовата механика, за който получава Нобелова награда през 1965 г. Той постави под въпрос фундаменталната класическа идея, че всяка частица има само една история. Вместо това той предложи частиците да се движат от едно място на друго по всички възможни пътища в пространство-времето. Файнман свързва две числа с всяка траектория: едното за величината (амплитудата) на вълната, а другото за нейната фаза (позиция в цикъла - гребен или дъна). Вероятността една частица да пътува от точка А до точка Б се определя чрез сумиране на вълните, свързани с всеки възможен път от А до Б.

В ежедневния свят обектите се движат от началната до крайната точка само по един път. Това все пак е в съответствие с идеята на Файнман за множество истории (сумиране на истории), тъй като за големи обекти неговото правило за присвояване на номера на всеки път гарантира, че когато се вземат заедно, приносът на всички пътища с изключение на един се анулира. Само един от безкрайния брой пътища има значение, когато разглеждаме движението на макроскопични обекти, и този път точно съответства на този, който следва от класическите, Нютонови закони за движение.

Всъщност няма значение колко истории може да има, в които няма разумни същества. Ние се интересуваме само от подгрупата, в която се развива интелигентен живот. Не е нужно да е нещо като хората. Малките зелени човечета също са добри. Може би дори са по-подходящи. Човешката раса няма много интелигентни постижения.

Като пример за силата на антропния принцип, разгледайте броя на измеренията на пространството. От практиката е добре известно, че живеем в триизмерно пространство. Това означава, че позицията на точка в пространството може да бъде определена с три числа, като географска ширина, дължина и надморска височина. Но защо пространството е триизмерно? Защо не две, не четири, не някакъв друг брой измерения, както се случва в научната фантастика? В М-теорията пространството има девет или десет измерения, но се смята, че шест или седем от тях са свити до много малки измерения и само три измерения са достатъчно големи, за да бъдат приблизително плоски (Фигура 3.11).

Защо не живеем в сценарий, при който осем измерения са свити и само две са видими? Двуизмерните животни трудно биха усвоили храната. Ако храносмилателният им тракт минеше, това щеше да разцепи животното на две и горкото същество щеше да се разпадне. Така че две плоски измерения не са достатъчни за всеки сложен и интелигентен живот.

От друга страна, ако имаше четири или повече "разгънати" измерения, гравитационното привличане между двете тела би се увеличило по-бързо, когато се приближават едно към друго. Това означава, че няма да има стабилни орбити за планети около звезди. Планетите или ще паднат върху звездите (фиг. 3.12, отгоре), или ще изчезнат в мрака и студа на околното пространство (фиг. 3.12, отдолу).

По същия начин орбитите на електроните в атомите биха били нестабилни и материята, с която сме запознати, не би могла да съществува. Така че докато концепцията за множество истории позволява съществуването на произволен брой разгънати измерения, само сценарии с три такива измерения могат да имат интелигентни същества. Само в тези сценарии ще бъде зададен въпросът „Защо пространството има три измерения?“

Най-простата история на Вселената във въображаемо време е сфера, подобна на повърхността на Земята, но с две допълнителни измерения (фиг. 3.13).

Най-простата история без граници във въображаемото време е сфера. Той определя историята в реално време, която преживява инфлационна експанзия.

Той определя в реално време, което е обект на нашия опит, история, в която Вселената е една и съща във всички точки на пространството и се разширява във времето. В това отношение той е подобен на Вселената, в която живеем. Скоростта на разширяване обаче е много висока и продължава да се увеличава. Тази ускоряваща се експанзия се нарича инфлация, защото наподобява покачване на цените с все по-бързи темпове.

Инфлацията на цените обикновено се смята за нещо негативно, но в случая с Вселената е много полезно. Тежката инфлация изглажда всички бучки материя, които може да са се образували в ранната Вселена. Докато Вселената се разширява, тя заема енергия от гравитационното поле, за да създаде повече материя. Положителната енергия на материята е точно балансирана от отрицателната гравитационна енергия, така че общият енергиен баланс е нула. Когато Вселената удвои размера си, енергията на материята и гравитацията също се удвояват - но два пъти нула пак е нула. Ако само банковият свят беше толкова прост (Фигура 3.14)!

Ориз. 3.14. Инфлационна вселена

Инфлационна вселена

В модела на горещия Голям взрив, в ранните етапи на Вселената, не е имало достатъчно време топлинната енергия да тече от един регион на Вселената в друг. Ние обаче наблюдаваме, че температурата на микровълновото фоново лъчение е еднаква във всички посоки. Това означава, че в първоначалното състояние Вселената трябва да е имала абсолютно еднаква температура навсякъде.

В опитите да се намери модел, при който много различни първоначални конфигурации могат да се развият в нещо подобно на съвременната Вселена, се предполага, че ранната Вселена е преминала през ера на много бързо разширяване. Тази експанзия се нарича инфлационна, което означава, че се случва с непрекъснато нарастващи темпове, а не с по-бавни темпове, като експанзията, наблюдавана днес. Съществуването на такава фаза на инфлация може да обясни защо Вселената изглежда една и съща във всички посоки, тъй като в ранната Вселена светлината е имала време да пътува от един регион на Вселената до друг.

Историята във въображаемото време за една Вселена, която продължава да се разширява вечно в един инфлационен режим, е идеална сфера. Въпреки това, в нашата собствена Вселена, инфлационното разширяване се забави след част от секундата и галактиките започнаха да се формират. Във въображаемо време това означава, че историята на нашата Вселена е сфера, леко сплесната на южния полюс.

В случай, че историята на Вселената във въображаемото време е идеална сфера, в реално време тя съответства на историята на Вселената, която вечно продължава да се раздува в инфлационен режим. Докато набъбва, материята не може да кондензира и да образува галактики, звезди и живот, да не говорим за развитието на интелигентни същества като нас. Следователно, въпреки че идеално сферичните истории на Вселената във въображаемо време са позволени от идеята за множество истории, те не представляват голям интерес. Много по-подходящи за нас са историите във въображаемо време, които са леко сплескани на южния полюс на сферата (фиг. 3.15).

В този случай съответната история в реално време ще се разшири в режим на ускорена инфлация само в началото. И тогава разширяването ще започне да се забавя и галактиките ще могат да се образуват. За да се появи интелигентен живот, сплескаността на южния полюс трябва да е много слаба. Това ще означава, че Вселената първоначално ще се разшири до чудовищни ​​размери. Рекордни нива на парична инфлация се наблюдават в Германия между двете световни войни, когато цените са се повишили милиарди пъти, но мащабът на инфлацията, която вселената трябва да е изпитала, е поне милиард милиард милиард пъти по-голям (Фигура 3.16).

Инфлацията в Германия започва след края на Първата световна война и до февруари 1920 г. нивото на цените се повишава 5 пъти спрямо 1918 г. След юли 1922 г. започва фаза на хиперинфлация. Цялото доверие в парите изчезна и в рамките на 15 месеца индексът на цените нарастваше все по-бързо и по-бързо, надминавайки възможностите на печатарските преси, които не можеха да се справят с печатането на пари със същата скорост, тъй като се обезценяваха. До края на 1923 г. 300 фабрики за хартия работят на пълен капацитет, а 150 печатници разполагат с 2000 печатни преси, произвеждащи денонощно банкноти.

Поради принципа на неопределеността, Вселената не трябва да има само една история, съдържаща интелигентен живот. Напротив, наборът от истории във въображаемото време образува цяло семейство от леко деформирани сфери, всяка от които съответства на история в реално време, с продължително, но не безкрайно, инфлационно раздуване на Вселената. Човек може да попита: коя от тези допустими истории е най-вероятна? Оказва се, че тя не е идеално плоска, а е повърхност с малки издигания и вдлъбнатини (фиг. 3.17).

Ориз. 3.17 Вероятни и невероятни истории

Гладки истории като Анай-вероятно, но само малък брой съществуват.

Въпреки че всяка малко неправилно оформена история изглежда bили c е по-малко вероятно, техният брой е толкова голям, че най-вероятно историята на Вселената ще разкрие малки отклонения от гладкостта.

Вярно е, че тези вълнички на най-вероятната история са едва забележими. Отклоненията от равна повърхност са от порядъка на едно на сто хиляди. Въпреки това, въпреки че са изключително малки, можем да ги наблюдаваме като малки вариации в микровълновото излъчване, което идва от различни посоки в космоса. Сателитът Cosmic Background Explorer (COBE), изстрелян през 1989 г., картографира небето в микровълновия диапазон.

Карта на цялото небе, получена от инструмента NAME на сателита COBE, говори в полза на съществуването на времеви гънки.

Цветът показва разлики в температурата, като целият диапазон от червено до синьо съответства на разпространение от само една десет хилядна от градуса - тези разлики между регионите на ранната Вселена са достатъчни, за да може излишната гравитация в по-плътните региони да спре безкрайните им разширяване и предизвикват компресия под въздействието на собствената гравитация, което води до образуването на галактики и звезди. Така че картата на COBE по принцип не е нищо повече или по-малко от план на всички структури във Вселената.

Как ще изглежда бъдещето за най-вероятните истории на Вселената, които са съвместими с появата на интелигентни същества? Тук има различни опции в зависимост от количеството материя във Вселената. Ако е по-голямо от определена критична стойност, гравитационното привличане между галактиките ще се забави и в крайна сметка ще спре тяхното разширяване. След това те ще започнат да падат един към друг и ще се сближат в Голямата криза, която ще бъде краят на историята на Вселената в реално време (фиг. 3.18).

Един от възможните сценарии за края на Вселената е Big Crunch, гигантски катаклизъм, когато цялата материя е засмукана в гравитационен кладенец.

Ако плътността на Вселената е под критична стойност, гравитацията е твърде слаба, за да попречи на галактиките да се разлетят завинаги. Всички звезди ще изгорят, а Вселената ще става все по-празна и студена. Така че и тук всичко ще свърши, макар и не толкова драматично. Във всеки случай Вселената ще съществува още много милиарди години (фиг. 3.19).

Продължителен студен вой, в който всичко замръзва и последните звезди угасват, изчерпвайки запасите си от гориво.

Заедно с материята, Вселената може да съдържа така наречената вакуумна енергия, която присъства дори в привидно празно пространство. Според известното уравнение на Айнщайн E = mc 2Вакуумната енергия има маса. Това означава, че има гравитационно влияние върху разширяването на Вселената. Въпреки това е доста забележително, че ефектът на вакуумната енергия е противоположен на този на обикновената материя. Веществото забавя разширяването и в крайна сметка може да го спре и обърне. Вакуумната енергия, напротив, ускорява разширяването, както при инфлацията. Всъщност тя действа точно като космологичната константа, която, както беше обсъдено в глава 1, Айнщайн добави към първоначалните си уравнения през 1917 г., когато осъзна, че те не допускат решение, съответстващо на стационарна вселена. След откритието на Хъбъл за разширяването на Вселената, основата за добавяне на космологична константа към уравненията изчезна и Айнщайн го отхвърли като грешка.

Възможно е обаче изобщо да не е грешка. Както беше обсъдено в глава 2, сега разбираме, че квантовата теория показва, че пространство-времето е изпълнено с квантови флуктуации. В суперсиметричната теория безкрайните положителни и отрицателни енергии на тези флуктуации на основното състояние се неутрализират взаимно от частици с различни спинове. Но не можем да очакваме положителните и отрицателните енергии да се компенсират толкова точно, че да не остане дори малко ограничено количество вакуумна енергия, тъй като Вселената не е в суперсиметрично състояние. Единствената изненада е, че тази енергия е толкова близо до нула, че не е била открита преди. Може би това е още едно проявление на антропния принцип. История с по-голяма вакуумна енергия не би довела до образуването на галактики и не би съдържала същества, които задават въпроса "Защо вакуумната енергия има стойността, която наблюдаваме?"

Можете да опитате да определите количеството материя и вакуумна енергия във Вселената с помощта на различни методи за наблюдение и да представите резултатите на диаграма, където плътността на материята е нанесена по хоризонталната ос, а вакуумната енергия е нанесена по вертикалната ос. . Пунктираната линия показва границите на региона, в който е способен да се развива интелигентен живот (фиг. 3.20).

Чрез комбиниране на наблюдения на далечни свръхнови и космическо микровълново лъчение с данни за разпределението на материята във Вселената е възможно да се определи вакуумната енергия и плътността на материята във Вселената с много висока точност.

Дори накратко бих се смятал за владетел на огромното пространство.

У. Шекспир.Хамлет. Акт 2, Сиена 2

Наблюденията на свръхнови, галактически купове и микровълновия фон също определят техните области на тази диаграма. За щастие и трите области имат общо припокриване. Ако плътността на материята и енергията на вакуума попаднат в тази пресечна точка, това означава, че разширяването на Вселената е започнало отново да се ускорява след дълъг период на забавяне. Изглежда, че инфлацията може да е закон на природата.

В тази глава показахме как пространственото поведение на Вселената може да бъде обяснено от гледна точка на нейната история във въображаемо време, което е малка, леко сплескана сфера. Нещо като черупката на Хамлет, само че в тази ядка е закодирано всичко, което се случва в реално време. Така че Хамлет е бил абсолютно прав. Можем да бъдем затворени в орехова черупка и пак да се считаме за крале на безкрайния космос.

От книгата Заклинанието на Фавн автор Томилин Анатолий Николаевич

От книгата Жив кристал автор Гегузин Яков Евсеевич

Глава 3 Голямото откритие От момента, в който Ерстед открива влиянието на електрическия ток върху магнитната стрелка, изследователите започват да бъдат преследвани от мисълта: „Възможно ли е да се реши обратната задача: да се превърне магнетизмът в електричество?“ Във Франция те озадачават този проблем

От книгата Принцът от страната на облаците автор Галфар Кристоф

Глава 4 „Руска светлина“ „Използването на електрическа енергия в Русия се разви значително през последните години, но електрическата индустрия в Русия доскоро беше в начален стадий.“ Това са редове от дебела книга на професор Артър Уилке

От книгата Светът накратко [ил. книга-списание] автор Хокинг Стивън Уилям

Глава 1 За подходите към GOELROПредприятията на Siemens и Halske, които бяха обсъдени в книгата на уважавания професор Артър Уилке, бяха разпръснати в различни градове. Но най-големият електротехнически завод в Русия (до 150 служители) се намираше на остров Василиевски в

От книгата на автора

Глава 2 Време за постижения Днес много се говори за получаване на енергия с помощта на Слънцето, вятъра, морските вълни, за извличане на енергия от дълбините чрез използване на вътрешната топлина на Земята, за опитомяване на морските приливи и отливи и за движеща сила растения извън атмосферата. Но за сега...

От книгата на автора

Глава 18 Въздушният мотоциклет се носеше много ниско, на десет метра над облака. Далеч отдолу Том и Тристам виждаха бреговете на вулканичен остров. „Не стреляй!“ - повтори военният с шлифера. - И задържайте тези! Войниците се изсипаха на кея и започнаха да стрелят по водното конче

От книгата на автора

Глава 1 Тристам и Том летяха много високо, много по-високо от естествените облаци. Беше минал повече от час, откакто оставиха зад себе си ледената завеса, от която войските на тирана паднаха върху Миртилвил, тук небето беше различно от това над техния град.

От книгата на автора

Глава 7 Минаха няколко часа. Тристам и Том лежаха на твърди легла в тъмна килия без прозорци, постоянно се мятаха от една страна на друга. Щом музиката на флейтата замлъкна, старецът веднага задряма, като промърмори нещо нечуто в съня си, Том отново започна да трепери; Разбрах Тристам

От книгата на автора

Глава 8 Гъст дим, излизащ от комините, смесен с хладния и влажен въздух на зазоряване. На всички кръстовища в центъра на бялата столица бяха разположени снежни човеци. Приличаха по-малко на служители на реда, а повече на окупационни войски

От книгата на автора

Глава 9 Падна нощта, зад прозорците цареше дълбока тишина. Тристам заспа. До него, с отворена книга на корема, спеше Том, потънал в мечти за бъдещето, в дъното на стаята, изтегнат на матрак, хъркаше един от полицаите. Вторият седеше на стълбата, която сега стоеше наблизо

От книгата на автора

Глава 10 Тристам внимателно наблюдаваше сянката. Тя се насочваше право към военния патрул „Той няма да мине оттам!“ - разтревожи се Тристам, но човекът с раницата сигурно го знаеше: той се покатери по стената и като черна котка скочи от покрив на покрив за миг.

От книгата на автора

Глава 11 На следващата сутрин, веднага щом момчетата се събудиха, полицията ги отведе в подземния проход. За щастие, тесният тунел, през който трябваше да се движим един на един, беше чист и сух. „Колко още?“ - попита Тристам, когато изминаха десетина метра - Шшт! - прошепнат

От книгата на автора

Стивън Хокинг Светът накратко Предговор Не очаквах моята нехудожествена книга Кратка история на времето да бъде толкова успешна. Тя остана в списъка на бестселърите на London Sunday Times повече от четири години - по-дълго от всяка друга книга, която